ОДА ЧЕЛОВЕКУ И ТЕЛЕСКОПУ

Старт РН Ариан-5 с обсерваторией ESA XMM.

24 апреля исполнилось ровно 10 лет, как был выведен на орбиту первый из больших астрономических обсерваторий -- Космический телескоп Хаббла, предназначенный для детального исследования строения и развития Вселенной. Этот телескоп массой 11,5 тонн был разработан по совместной программе Национального управления по аэронавтике и космонавтике США (NASA) и Европейского космического агентства (ESA).

Во все времена люди с трепетом наблюдали за безмолвным и загадочным звездным небом, наполненным мириадами сверкающих бусинок и неожиданными всполохами огненных стрел. В исторических масштабах человечество только совсем недавно узнало, что эти бусинки-звезды подобны Солнцу и их в нашей Галактике более 150 миллиардов.

Как известно, расстояние от Земли до Солнца, принятое за одну астрономическую единицу (АЕ), равно 149,6 миллионам километров. Размеры всей Солнечной системы составляют примерно 100 АЕ. Однако для измерения гигантских межзвездных расстояний используются световой год или парсек. Световой год равен 9450 миллиардам километров, которые свет проходит ровно за год. Более привычный для астрономов парсек соответствует расстоянию, откуда орбита Земли видна под углом в 1" (секунду дуги), и равен 3,26 световым годам. Наша Галактика, названная Млечным Путем, представляет собой гигантский диск диаметром около 100 тысяч и толщиной 1560 световых лет, а ближайшая к Солнцу звезда Проксима Центавра расположена на расстоянии 4,2 световых года. Расстояние от Солнца до ядра Галактики -- 30 тысяч световых лет. При этом Солнце и ближайшие к нему звезды совершают один оборот вокруг ядра Галактики за 200 миллионов лет, летя в бесконечных просторах Вселенной со скоростью примерно 250 км/с.

Невооруженным глазом человек с хорошим зрением может различать объекты до 6-й звездной величины. Видимые в виде размытых световых пятен Магеллановы Облака и Туманность Андромеды, считавшиеся ранее обычными планетарными туманностями, на самом деле являются галактиками и находятся на расстоянии 200 тысяч и 1,8 миллиона световых лет от Солнца. Притом Туманность Андромеды приближается к нашей Галактике с весьма приличной скоростью -- около 140 км/с. Оказалось, что галактик ярче 12-й звездной величины примерно 200, а ярче 15-й -- уже около 50 тысяч. К сожалению, возможности даже самых больших наземных телескопов сильно ограничены из-за наличия атмосферы. В связи с этим еще в 1940-х годах, задолго до начала космческой эры, астрономы начали мечтать о создании Большого космического телескопа.

К непосредственной разработке такого телескопа, который впоследствии стал известен как Космический телескоп Хаббла (HST), американские и западноевропейские ученые приступили в 1977 году, когда Конгресс США окончательно одобрил идею создания этого дорогостоящего астрономического прибора. Первоначально планировалось возвращать его на Землю для ремонта через каждые 5 лет, а потом повторно выводить на орбиту на борту ВКС Space Shuttle. Однако в 1985 году NASA решило ремонтировать HST прямо в космосе и продлить его работу до 15 лет.

Космический телескоп Хаббла был выведен на орбиту высотой 600 км 24 апреля 1990 года на борту ВКС Дискавери, а на следующий день он отправился в самостоятельный полет. Для координации научных исследований, проводимых с помощью HST, в Университете Джона Гопкинса в Балтиморе, шт. Мэрилэнд, был образован специальный отдел, получивший название STScI (Научный институт Космического телескопа).

HST представляет собой телескоп-рефлектор с диаметром главного зеркала 2,4 м. На его разработку и изготовление в общей сложности ушло почти 20 лет. С 1977 по 1988 годы NASA затратило на HST 1,54 миллиарда долларов. Еще 600 миллионов понадобились для хранения и улучшения телескопа в последующие 2,5 года, когда ВКС Space Shuttle не летали из-за катастрофы Челленджера в январе 1986 года. Обеспечение работы HST требует в год 200 миллионов, и общие затраты уже превысили 4 миллиарда долларов. Недавно срок работы телескопа на орбите был продлен еще на 5 лет, вплоть до 2010 года. После 2004 года NASA не планирует совершать полеты для обслуживания HST, что позволит снизить ежегодные затраты до 60 миллионов долларов.

Телескоп был назван именем американского астронома Эдвина Хаббла (1889--1953), ставшего знаменитым после своего открытия других галактик за пределами нашего Млечного Пути. В первую мировую войну Хаббл воевал и дослужился до майора. В 1919 году он поступил в обсерваторию Маунт Вильсон в Пасадене, Калифорния, и проработал там всю свою дальнейшую жизнь. Хаббл занимался изучением туманностей и использовал наиболее мощный телескоп того времени с диаметром зеркала 2,5 м. В 1924 году ему удалось обнаружить в Туманности Андромеды переменные звезды. К тому времени уже была известна методика Генриетты Левитт (1868--1921), позволяющая определять расстояния до переменных звезд. Стало ясно, что открытые Хабблом цефеиды расположены столь далеко, что Туманность Андромеды является не простой туманностью, а гигантской галактикой -- раза в три массивнее нашего Млечного Пути.

После открытия других галактик Хаббл занялся их классификацией по размерам, формам, яркости и расстояниям до них и обнаружил явление так называемого красного смещения, возникающего при движении тел за счет эффекта Доплера. В 1929 году Хаббл определил, что галактики разбегаются со скоростями, пропорциональными дальности до них. Оказалось, что согласно полученной зависимости (Закону Хаббла) скорость удаления галактик увеличивается на 50--100 км/с на Мпс, т.е. 3,26 миллиона световых лет. Удалось выявить и точку, откуда они начали свое движение. Это открытие послужило фундаментом для разработки теории Большого Взрыва, согласно которой вся Вселенная возникла одномоментно после гигантского космического взрыва. Хаббл определил, что это случилось 2 миллиарда лет назад. Недавно для уточнения постоянной Хаббла 27 астрономов из 13 различных научных институтов США и других стран осуществили обработку новых данных о 18 галактиках, удаленных до 65 миллионов световых лет от нас. Для измерения расстояний они использовали почти 800 переменных звезд. Полученные результаты дали величину постоянной Хаббла, равную 70 км/с на Мпс. Следует заметить, что всего несколько лет назад возраст Вселенной определялся в 12--14 миллиардов лет, но уже сейчас его пришлось отодвинуть до 20 миллиардов лет.

На HST первоначально были установлены Камера слабых объектов FOC, Широкоугольная планетная камера WF/PC, Спектрограф слабых объектов и Годдардовский спектрограф высокого разрешения. Разрешающая способность HST равна 0,1", что примерно в 10 раз выше разрешения наземных телескопов. При этом стабильность его ориентации составляет 0,007" за сутки, что обеспечивается силовыми гироскопами, которых на HST 6, а для его точной наводки на цель достаточно и трех.

Первые наблюдения очень сильно расстроили и разработчиков телескопа, и ученых. Тут же со всех сторон начали раздаваться возмущенные голоса по поводу напрасно потерянных средств. Оказалось, что главное зеркало HST было изготовлено более плоским, с отклонением поверхности на 2 микрона, что привело к сферической аберрации и сильному размыву изображений. Вместо сбора 70% света от точечного источника в кружочке диаметром 0,1" туда направлялось всего 15%, а 85% рассеивались в гало с диаметром до 3". К тому же, из-за теплового флаттера панелей СБ при прохождении границы света и тени возникали продольные изгибные колебания с частотой 0,12 Гц и амплитудой 30 см, а также поперечные колебания с частотой 0,66 Гц на дневной стороне Земли. Телескоп мог наблюдать только те объекты, которые были примерно 20 раз ярче намеченных в проекте. Тем не менее, благодаря компьютерной обработке изображений во многих случаях удавалось получать снимки и с первоначально запланированным разрешением.

В ходе внепланового полета ВКС Индевор в декабре 1993 года для устранения сферической аберрации главного зеркала астронавты установили на телескопе блок корректирующей оптики COSTAR длиной 7 м и массой около 290 кг. Тогда же были заменены широкоугольная планетная камера на новую камеру WF/PC-2, солнечные батареи и 4 гироскопа (гироскопы N 4 и N 6 к тому времени уже отказали) на два блока скоростных гироскопов. В феврале 1997 года во время очередного полета на HST были установлены новые, более совершенные инструменты. После этих двух полетов телескоп практически обновился и начал осуществлять детальные исследования дальних галактик, планетарных туманностей (небул) и других объектов Вселенной, предоставляя в руки ученых изображения великолепного качества. Последний полет для срочной замены отказавших гироскопов состоялся в конце декабря прошлого года.

Уже к 18 июля 1997 года HST провел 100 тысяч наблюдений, а к настоящему времени совершил более 55 тысяч оборотов вокруг Земли и передал 259 тысяч снимков 13000 галактик. Только в 1999 году услугами HST воспользовались 1427 астрономов из США и 987 зарубежных ученых. Обычно полученные телескопом снимки и научные данные становятся достоянием общественности через 12 месяцев после их передачи на Землю.

Космический телескоп Хаббла оказался первым из четырех больших космических телескопов, находящихся сейчас на орбите. 5 апреля 1991 года на борту ВКС Атлантис был доставлен в космос наиболее массивный из них -- Гамма-обсерватория CGRO массой 17 т, предназначенная для исследований сверхновых звезд, черных дыр и других объектов Вселенной. На ней находятся 4 прибора для регистрации электромагнитных волн в диапазоне энергий от 30 КэВ до 30 ГэВ. 6 декабря прошлого года отказал один из трех силовых гироскопов CGRO и в целях безопасности, несмотря на хорошее состояние научного оборудования, в начале июня он будет направлен в атмосферу Земли и прекратит свое существование. За время своей работы CGRO обнаружил более 400 источников гамма излучений, 10 раз больше, чем было известно ранее. Он также зафиксировал более 2500 гамма-вспышек, а до него их было зафиксировано всего 300.

Рентгеновская обсерватория Чандра (AXAF Chandra) массой 5,45 т была выведена в космос 23 июля 1999 года на борту ВКС Колумбия и с помощью двухступенчатого буксира IUS перешла на эллиптическую орбиту высотой 320х71000 км. Позже с помощью своих бортовых двигателей она вышла на рабочую орбиту высотой 9650х138000 км. Эта обсерватория также предназначена для изучения черных дыр, туманностей, рождения и гибели звезд. 10 декабря этого же года на борту ракеты-носителя Ариан-5 отправилась в космос западноевропейская многозеркальная рентгеновская обсерватория ХММ массой 4 т. С эллиптической орбиты высотой 7000х114000 км она будет исследовать черные дыры, взрывающиеся и двойные звезды, центральные области скоплений галактик.

Эти современные и дорогостоящие астрофизические приборы уже раскрыли многие загадки Вселенной. По мере продолжения их работы и создания новых, еще более совершенных аппаратов человечество значительно углубит свои знания о строении Вселенной и вплотную приблизится к разрешению вопроса о существовании жизни вне Земли в безбрежных пространствах космоса. Уже сейчас разрабатываются телескопы нового поколения, которые смогут обнаруживать планетные системы на расстоянии до 200 световых лет и определять наличие на них воды, углекислого газа и кислорода, являющихся спутниками жизни.

В завершение, из тысяч прекрасных снимков, полученных Космическим телескопом Хаббла, мне хочется привести всего два. На первом из них показан небольшой участок неба, расположенный вблизи созвездия Большой Медведицы, который почти не заслоняется звездами нашей Галактики и удобен для изучения сверхдальних областей Вселенной. Только на этом одном снимке, составленном из мозаики множества отдельных изображений, сделанных с помощью камеры WF/PC-2 в течение 10 дней в период с 18 по 28 декабря 1995 года с выдержками 15--40 минут, наблюдаются сотни и сотни галактик, наиболее отдаленные из которых имеют 30-ю звездную величину и находятся на расстоянии до 12 миллиардов световых лет. На втором снимке (в оригинале все снимки цветные) видны две столкнувшиеся спиральные галактики NGS 2207 и IC 2163. Расчеты, проведенные по данным измерений большого радиотелескопа Национального научного фонда в Нью-Мехико, показали, что максимальное сближение этих двух галактик произошло 40 миллионов лет назад. При этом у малой галактики IC 2163 не хватило энергии, чтобы пролететь мимо более массивной, поэтому в будущем они столкнутся вновь, а спустя миллиарды лет превратятся в одну гигантскую галактику наподобие нашего Млечного пути...

А.Максимов,
к.ф.-м.н., старший научный сотрудник
ИТПМ СО РАН.